雷射打標與機器視覺碼：產品安全與可追溯性

雷射打標與機器視覺碼：產品安全與可追溯性

工業製造對不可磨滅的零件直接打標（含機器視覺碼）的需求正呈指數成長。零件直接打標可讓產品從製造完成起至使用壽命終點全程受到追蹤。此需求源自零組件可追溯性與產品唯一識別（UID）要求的日益提高。911 事件後，製造商紛紛實施相關策略，以建立可追溯性並防止產品遭竄改與仿冒。美國國防部（DoD）以 MIL-STD-130M 作為軍用財產的標準作法。除國防部的軍事要求外，從汽車、包裝、製藥、電子到消費性產品的商用工業製造商，也正積極採用類似標準。

含唯一識別資訊的零件直接打標，需仰賴噴墨、點陣衝擊打標與雷射打標等數位製程技術。對許多立體塑膠產品而言，雷射是首選方式，因為此製程可產生高對比且不可磨滅的標記，無須負擔昂貴的耗材墨水／溶劑成本，也不需後固化。此外，雷射還能打出尺寸最小的機器視覺碼。這對微型打標尤為重要，或用於零件或元件上可供標示英數字、標誌或示意圖的表面積有限時。穩健的六標準差製造作業要求所有產品皆須 100% 可由人眼或機器視覺讀取，無論實際標記的尺寸與細節複雜度為何。

重點摘要

• 零件直接打標可追蹤產品從製造到使用壽命終點的全程，這正是唯一識別所需要的。
• MIL-STD-130M 為國防部標準，從汽車到包裝等商用產業亦已跟進採用。
• 在編碼資料量相同的情況下，Data Matrix 的尺寸僅為條碼的 1/10 至 1/100。
• 冗餘設計內建其中。資料分散於整個符號，並具備錯誤校正功能，可從損傷中復原。
• 在引擎蓋下的汽車燃油零組件上，四分之一英吋的代碼約 200 毫秒即可打標完成。

常見問題

什麼是機器視覺碼？

機器視覺碼是可由光學掃描器或攝影機解讀的編碼資訊。常見的一維條碼以淺色背景上的深色對比呈現資料，形成高低反射率並轉換為 1 與 0，資料則儲存於平行線條的寬度與間距中。較新的圖案則使用點陣、同心圓，以及隱藏於影像中的文字。

為何小型零件要用 Data Matrix 而非條碼？

因為尺寸小且耐用。在編碼資料量相同時，Data Matrix 僅為條碼的 1/10 至 1/100 大小，因此極少的零件表面即可承載大量製造資料。每個代碼約一半為黑、一半為白，使單元損傷不影響可讀性的機率達 50/50，且錯誤校正功能有助於從缺陷中復原。

哪些塑膠通常需要打標以利追溯？

縮醛樹脂、尼龍、聚烯烴、聚碳酸酯、聚酯與苯乙烯類塑膠——皆為化學惰性、非極性且表面能低的材料，這正是雷射打標優於需前處理與固化的油墨類製程的原因。

引擎蓋下的汽車代碼承載哪些資料？

完整的零組件可追溯資訊：樹脂批次、成型機台、日期、班次與時間，以及組裝洩漏測試結果。四分之一英吋的代碼約 200 毫秒即可打標完成。

是什麼推動了零件直接打標的成長？

可追溯性與唯一識別的要求。911 事件後，製造商實施相關策略以建立可追溯性並防止竄改與仿冒，MIL-STD-130M 成為國防部的標準作法，商用製造商也採用了對應的標準。

什麼是機器視覺碼？

機器可讀（視覺）碼是可透過光學掃描器或攝影機解讀的編碼資訊。常見的例子是一維「條碼」，其以資訊表示法呈現，通常為淺色背景上的深色對比，形成高低反射率並轉換為 1 與 0。最常見的條碼格式將資料儲存於印刷平行線（黑白條紋）的寬度與間距中。不過，由點陣、同心圓，以及隱藏於影像中的文字碼所組成的新型圖案也已被採用。在美國，UPC（通用產品碼）是零售與消費性產品中最廣為人知、應用最普遍的條碼。

雖然現代條碼方案可容納 ASCII 字元集，但在製造業、電子、航太、汽車與製藥等領域，仍需要更先進的機器視覺碼。在單一空間內編入更多資訊的持續需求，促成了二維「Data Matrix」碼的發展。Data Matrix 碼無法以雷射讀取（條碼所用的方式），因為通常沒有任何掃描路徑能涵蓋整個符號，必須以攝影機擷取裝置進行掃描。2D Data Matrix 是專為解決條碼限制而設計的革命性機器可讀碼。圖 1 展示了 2D Data Matrix 與條碼之間的差異。

2D 碼與條碼的比較

2D Data Matrix 碼非常適合小型零件打標，且設計上可耐受嚴苛的工業環境。在編碼資料量相同時，Data Matrix 碼的尺寸僅為條碼的 1/10 至 1/100，因此零件上只需極小空間，即可容納大量供產品追溯的製造資料。每個代碼約一半為黑、一半為白，使單元損傷不影響可讀性的機率達 50/50。Data Matrix 的高度冗餘性（資料分散於整個符號）以及對列印缺陷的抵抗力，使其極為可靠。演算法內建的錯誤校正機制，可最佳化從符號損傷中復原的能力。圖 2 比較了 Data Matrix 碼與條碼。

雷射打標

本節聚焦於在立體塑膠製造的零組件與組件（包括縮醛樹脂、尼龍、聚烯烴、聚碳酸酯、聚酯、苯乙烯類塑膠等）上使用 2D Data Matrix 碼。這類塑膠為化學惰性、非極性且表面能低。在零件直接打標方面，Nd:YAG 雷射相較於噴墨等需要表面前處理與固化的油墨類製程更具優勢。波長 1064nm（近紅外光譜）的光束偏轉式 Nd:YAG 雷射（「YAG」）因其發射波長、功率表現與多功能性，在雷射打標業界廣受歡迎，可帶來更快的打標速度、更高的品質與更大的產量。

作為參考，連續波（CW）CO₂ 雷射的工作波長為 10.6 µm（遠紅外光譜）。CO₂ 雷射產生的峰值功率遠低於 YAG 雷射，因此無法在大多數塑膠上產生高對比標記。請注意，CO₂ 雷射常用於在標籤、紙材上打標條碼與矩陣碼，以及進行油墨燒蝕。

雷射打標的機制，是以局部的高能量輻射源（雷射）照射聚合物。輻射能隨後被材料吸收並轉換為熱能，熱能則誘發材料內部發生反應。並非所有光束偏轉式 YAG 雷射都一樣優異。

雷射製造商納入其系統的硬體與軟體元件，對打標品質與速度有顯著影響。首要特性是打標表面的功率密度（瓦／cm²），這與雷射的原始輸出功率不同。光束偏轉式 Nd:YAG 雷射打標機（弧光燈與二極體光源）利用安裝於高速電腦控制振鏡上的反射鏡，引導雷射光束掃過待打標表面，如同以鉛筆在紙上書寫。Y 軸與 X 軸各有一個振鏡，共同提供打標範圍內的光束運動。平場透鏡組將雷射光聚焦，以在基材表面達到高功率密度。圖 3 展示了採用電腦控制振鏡的光學光束傳輸系統。

雷射光束的輸出模式對打標表現至關重要。製造商可提供多模、TEM00（橫向電磁模式）或介於兩者之間的雷射，包括低階模。這些輸出模式與光束發散度及雷射光束直徑上的功率分佈等因素有關。低階模與 TEM00 模雷射能達到小聚焦光點，進而形成邊緣清晰的極細線條，因此特別適合對 Data Matrix 與條碼、單筆畫英數字、實心 TrueType 字型及複雜圖形進行高速向量打標。

功率密度取決於雷射聚焦光點尺寸。在特定焦距透鏡與雷射波長下，聚焦光點尺寸取決於雷射光束發散度，而發散度由雷射配置、模式選擇孔徑大小與擴束鏡（光束擴展器）倍率所控制。脈衝重複率（透過聲光 Q 開關）與峰值功率密度，是形成標記並達到最佳對比與速度的關鍵參數。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度迅速上升，使材料汽化，同時傳入基材的熱量極少。隨著脈衝重複率增加，較低的峰值功率產生的汽化較少，但傳導的熱量較多。光束速度（速率）也是關鍵因素。

使用雷射添加劑可提升並最佳化機器視覺碼的對比度，並縮短打標週期時間。這些因素最終可節省成本並提高製造產能。材料科學解決方案具成本效益且易於使用，在配方適當的情況下，對聚合物產品的物理與化學特性不會有不良影響。

應用

一個絕佳的應用實例，是以雷射將 2D Data Matrix 碼打標於嚴苛環境下的引擎蓋下汽車燃油零組件與組件（通常為縮醛樹脂、尼龍與聚酯）。如第 32 頁範例 A 所示，四分之一英吋大小的代碼約 200 毫秒即可打標完成。代碼中的資料包含零組件的完整可追溯資訊（自樹脂批次、成型機台、日期－班次－時間，到組裝洩漏測試）。縮醛樹脂雷射打標的新技術進展，進一步拓展了產品序號化與可追溯性的領域。範例 B：一位汽車業主管指出：「我們設計的許多引擎蓋下縮醛樹脂燃油零組件都很小巧。在自動化組裝作業接近尾聲、線上洩漏測試之後，對關鍵資訊與 Data Matrix 碼進行不可磨滅的微型打標，在業界具有極大價值。唯一的零件識別也有助於在製品（W.I.P.）的內部庫存管理。」

現代機器視覺系統不僅是獨立的檢測設備，而是整合於六標準差全面製造作業之中，包括統計品質管制指標程式。先進系統內含人工智慧，進一步拓展了雷射與機器視覺碼的領域。雷射打標的這種強大結合，透過為近乎零缺陷的產品提供製程回饋與防錯功能，被視為成功的關鍵。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，業務涵蓋雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開發開創性技術並解決製造問題已逾 30 年。歡迎撥打 972.820.6777 或造訪 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 與他聯絡。

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